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提要：現(xiàn)代建筑幕墻追求表皮通透，大跨度空中大堂盡量設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)輕薄，對(duì)超高層建筑（詞條“超高層建筑”由行業(yè)大百科提供）實(shí)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，既要滿足結(jié)構(gòu)安全要求，又要滿足建筑個(gè)性展現(xiàn)，通過(guò)大跨度來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑通透性，這對(duì)于建筑幕墻及支承結(jié)構(gòu)本身具有一定挑戰(zhàn)。本文闡述了在超高層建筑幕墻中超大跨度寬扁鋼梁與拉索（詞條“拉索”由行業(yè)大百科提供）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系與實(shí)踐。
關(guān)鍵詞：超高層空中大堂、超大跨度寬扁梁、建筑幕墻
1工程概況
青島環(huán)球航運(yùn)中心項(xiàng)目位于青島市邱縣路以東，建筑總高度199.05米，總建筑面積11.18萬(wàn)平方米。其中幕墻面積約4萬(wàn)平方，分別采用3個(gè)直立面與3個(gè)傾斜立面進(jìn)行建筑立面切割，以挺拔張揚(yáng)、蓬勃向上的六邊形切體造型塑造了風(fēng)帆的抽象美感，漸變六邊形的立體設(shè)計(jì)極具視覺(jué)沖擊。
項(xiàng)目定位于引導(dǎo)港口功能拓展，推動(dòng)“港產(chǎn)城”融合發(fā)展、打造成為“一帶一路”海上戰(zhàn)略支點(diǎn)、世界一流的海洋港口和國(guó)際航運(yùn)中心。
圖1項(xiàng)目效果圖
本文主要介紹位于塔樓3個(gè)斜面的超大跨度寬扁梁鋼結(jié)構(gòu)與拉索幕墻系統(tǒng)，索網(wǎng)幕墻共由三部分組成：頂部空中大堂、中部中庭以及底部中庭，如圖2。為了保證建筑效果協(xié)調(diào)統(tǒng)一，三部分的索網(wǎng)幕墻采用一致的結(jié)構(gòu)體系，本文重點(diǎn)介紹頂部空中大堂幕墻及結(jié)構(gòu)體系。
圖2
2 頂部空中大堂結(jié)構(gòu)分析
2.1主體結(jié)構(gòu)
頂部空中大堂的整體結(jié)構(gòu)包括主體框架和幕墻結(jié)構(gòu)。其中幕墻結(jié)構(gòu)由豎向的拉索和水平的鋼結(jié)構(gòu)橫梁（詞條“橫梁”由行業(yè)大百科提供）組成，均需要錨固或支承于主體框架結(jié)構(gòu)上，主體框架需要有足夠的剛度和強(qiáng)度承擔(dān)豎向力和水平力。豎向的拉索上端錨固在頂部的主框架梁，下端錨固在下部樓層的框架梁上;水平鋼結(jié)構(gòu)橫梁則支承在豎向框架轉(zhuǎn)角鋼柱上(圖3)。
圖3 主體框架結(jié)構(gòu) 圖4：索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 幕墻結(jié)構(gòu)體系
幕墻結(jié)構(gòu)體系由豎向傳力體系和水平抗風(fēng)體系組成。
圖5幕墻體系構(gòu)件圖
在上述幕墻體系構(gòu)件圖中，雙水平橫梁標(biāo)示為上下兩道鋼橫梁，具體示意詳剖面圖。雙索為兩根拉索縱向排布(前后端)，間距為500mm，兩道雙索之間的橫向間距為4.2m(2個(gè)面板分格間距布置)。兩道雙索之間還布置有一道單索，單索與雙索的橫向間距為2.1m。雙索布置在幕墻結(jié)構(gòu)的短跨方向，作為幕墻結(jié)構(gòu)的主要抗風(fēng)構(gòu)件和水平鋼橫梁一起提供了結(jié)構(gòu)的水平剛度，同時(shí)可以作為懸挑橫梁的支座。
幕墻結(jié)構(gòu)由水平寬窄焊接扁鋼橫梁、前后拉索以及吊桿組成。前拉索與寬橫梁和窄橫梁連接，后拉索僅與寬橫梁連接，吊桿直接與寬橫梁和窄橫梁連接。其中寬扁鋼梁規(guī)格為1400X80X20、窄扁鋼梁規(guī)格為600X80X12。鋼梁與主體結(jié)構(gòu)均為鉸接。
圖6頂部空中大堂幕墻尺寸圖
2.3豎向傳力體系
在主體框架中，位于三個(gè)角部的豎向立柱、立柱之間的水平主框架梁、從核心筒延伸出的懸挑梁以及核心筒均作為主體結(jié)構(gòu)體系。由于幕墻結(jié)構(gòu)體系的豎向拉索均錨固在主框架梁和下方主體結(jié)構(gòu)的外邊梁之間，豎向拉索的豎向力將傳遞至立柱間的主框架梁，再由主框架梁傳遞至豎向的立柱和懸挑梁，其中懸挑梁的內(nèi)力再傳遞至主體結(jié)構(gòu)的核心筒。這樣就形成了一個(gè)清晰有效的豎向傳力體系。
圖6 幕墻承重傳力體系圖
索網(wǎng)幕墻的承重體系主要是由豎向的拉索和水平不等寬懸挑鋼梁組成。豎向拉索為前后端排布，每間隔一個(gè)面板分格為雙索，另外一個(gè)分格只有前端索;玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）安置在大小鋼橫梁的外邊緣，每2塊相鄰玻璃面板接縫處內(nèi)側(cè)都有ø12mm不銹鋼吊桿，大玻璃自重傳遞到小水平鋼橫梁前端，但小水平鋼橫梁與拉索為鉸接，無(wú)法承受彎矩，因此玻璃面板的荷載通過(guò)前端的豎向吊桿傳遞至上端的大懸挑鋼梁，再由懸挑梁傳遞至豎向的拉索。
2.4水平抗風(fēng)體系
本體系中水平鋼橫梁和豎向拉索是抗風(fēng)體系的組成部分。水平力先作用在外表面的玻璃面板，再傳遞至水平鋼橫梁，由于水平鋼梁的水平剛度遠(yuǎn)大于豎向拉索的剛度，水平鋼梁將水平風(fēng)荷載再傳遞主體框架中的豎向的轉(zhuǎn)角部位鋼結(jié)構(gòu)柱和核心筒。其中作用在水平600X80mm鋼橫梁的水平風(fēng)荷載，通過(guò)前端豎索將水平荷載傳遞到1400X80mm的大鋼橫梁。
3、結(jié)構(gòu)分析
考慮幾何非線性，對(duì)頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行13種荷載工況下的大變形靜態(tài)分析。按照荷載工況對(duì)ANSYS有限元模型進(jìn)行荷載組合加載。荷載工況通過(guò)荷載步的方式定義，一個(gè)荷載步定義一個(gè)荷載組合工況。對(duì)頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性全過(guò)程分析，各部分幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。
3.1 總位移
對(duì)頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行共13種標(biāo)準(zhǔn)組合荷載工況下的大變形靜態(tài)分析，各荷載工況的最大總位移為194.431mm，與鋼扁梁跨度的比值為1/209，符合要求。
圖7 頂部空中大堂荷載總位移云圖
3.2鋼扁梁Mises應(yīng)力
對(duì)頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行13種基本組合荷載工況下的大變形靜態(tài)分析，各荷載工況的最大鋼扁梁Mises應(yīng)力226MPa，小于鋼扁梁Q345設(shè)計(jì)強(qiáng)度310MPa，符合要求。
圖8頂部空中大堂鋼扁梁Mises應(yīng)力云圖
3.3 拉索應(yīng)力
對(duì)頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行13種基本組合荷載工況下的大變形靜態(tài)分析，各荷載工況的最大拉索內(nèi)力和最大拉索應(yīng)力詳圖9，各荷載工況的最大拉索內(nèi)力為367.792KN、最大拉索應(yīng)力為394MPa(最大拉索內(nèi)力和應(yīng)力出現(xiàn)在頂部空中大堂前索最中間一根拉索的最上部位置)，拉索最小破斷力與拉索內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值（詞條“標(biāo)準(zhǔn)值”由行業(yè)大百科提供）的比值大于規(guī)范規(guī)定要求。
圖9頂部空中大堂拉索應(yīng)力云圖
3.4吊桿應(yīng)力
對(duì)頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行13種基本組合荷載工況下的大變形靜態(tài)分析，各荷載工況的最大吊桿應(yīng)力應(yīng)力為161MPa(最大吊桿應(yīng)力出現(xiàn)在頂部空中大堂中間最下部位置)，小于吊桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。
圖10 頂部空中大堂吊桿應(yīng)力云圖
4、連接設(shè)計(jì)
主體框架結(jié)構(gòu)柱伸出懸伸支座，轉(zhuǎn)角處幕墻水平鋼梁通過(guò)懸伸支座與主體結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行連接，大跨度水平鋼橫梁通過(guò)鋼芯套與轉(zhuǎn)角處水平幕墻鋼梁通過(guò)鋼芯套及高強(qiáng)螺栓（詞條“高強(qiáng)螺栓”由行業(yè)大百科提供），與轉(zhuǎn)角處鋼梁進(jìn)行連接，連接節(jié)點(diǎn)按鉸接支座設(shè)計(jì)。水平鋼梁與主體連接為圓孔和長(zhǎng)孔連接，以適應(yīng)溫度變形和安裝調(diào)節(jié)要求(見圖11)。
圖11頂部空中大堂水平鋼梁節(jié)點(diǎn)安裝圖
圖12頂部空中大堂水平鋼梁節(jié)點(diǎn)三維圖及安裝圖
豎向拉索頂部通過(guò)鋼板支座與主體結(jié)構(gòu)鋼梁進(jìn)行焊接連接，拉索底部直接與鋼耳板進(jìn)行連接，鋼耳板與主體鋼結(jié)構(gòu)采用焊接的形式連接，拉索頂部采用可調(diào)端，底部采用固定端頭。
圖13頂部空中大堂拉索頂端節(jié)點(diǎn)圖圖14頂部空中大堂拉索底部節(jié)點(diǎn)圖
拉索與水平鋼梁連接，在拉索與水平鋼梁連接位置，采用不銹鋼環(huán)與拉索進(jìn)行壓制結(jié)合，壓制件與水平鋼梁進(jìn)行限位設(shè)計(jì)連接，最后在水平大鋼梁位置現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行封口焊接，如圖15。
圖15頂部空中大堂現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景
5、現(xiàn)場(chǎng)施工
本項(xiàng)目水平鋼梁與拉索結(jié)合體系，在超高層施工中，從鋼梁的工廠加工、運(yùn)輸、吊裝、拼裝都成為本項(xiàng)目的難點(diǎn);拉索與鋼梁之間的穿插施工，拉索的張拉同樣具有極大挑戰(zhàn)。具體工序如下:
鑒于扁鋼梁長(zhǎng)度達(dá)42米，分為三段用塔吊吊裝至38樓層邊緣，采用工裝分層臨時(shí)整齊搭設(shè)，然后穿設(shè)豎向拉索掛接上下端連接，再分級(jí)張拉預(yù)拉力至150KN，最后用設(shè)置在屋頂鋼平臺(tái)上5臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)將鋼板梁同步吊至指定標(biāo)高鎖緊，鋼梁兩端螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）擰緊，裝設(shè)前端吊桿。至此頂部空中大堂幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝完成，為安裝單元板塊創(chuàng)造基本條件。需要強(qiáng)調(diào)的是，拉索鎖緊夾具（詞條“夾具”由行業(yè)大百科提供）應(yīng)保持足夠的安全系數(shù)，鋼板梁也需要適當(dāng)起拱處理，拉索上下主體大梁也要隨時(shí)觀測(cè)上下變形。
圖16頂部空中大堂現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景
圖17頂部空中大堂現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景
6 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)代大型建筑更加追求個(gè)性化設(shè)計(jì)，建筑追求的空中大堂大氣通透性，已經(jīng)突破了現(xiàn)代的建筑幕墻的常規(guī)設(shè)計(jì)理念，本項(xiàng)目在超高層采用超大跨度水平鋼梁與豎向拉索進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)合，為建筑立面及功能的實(shí)現(xiàn)提供了完美的解決方案，為以后超高層拉索幕墻設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。
本工程結(jié)構(gòu)分析得到東南大學(xué)土木學(xué)院馮若強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)支持，在此一并感謝!
參考文獻(xiàn)
1、《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ257-2012 中國(guó)建筑工業(yè)出版社
2、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2017 中國(guó)建筑工業(yè)出版社
3、《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中國(guó)建筑工業(yè)出版社
4、東南大學(xué)，馮若強(qiáng)，青島港頂部空中大堂索網(wǎng)幕墻有限元分析
作者單位：深圳市三鑫科技發(fā)展有限公司
